低噪声VCO/PLL RF合成器满足无线基础局端的需求

无线通信应用中的合成器

在无线通信系统设计中，为混频器与调制解调器生成本机振荡 (LO) 时钟的合成器是决定系统性能高低的关键。如果合成器的性能不够完善，就会直接降低系统的性能，进而影响接收机的灵敏度、误差矢量幅度 (EVM)发送器的信号频带属性。采用双转换外差分集接收机与直接变频发送器的无线收发器是一种常见的应用配置，如图 1 所示。

图1 无线基站收发器

影响系统性能的合成器参数

为了阐明合成器对系统性能的影响，可先来看看接收机的实现方案，有关情况也适用于发送器。底层标准(如适用于 GSM 的 3GPP 标准)规定了接收机的灵敏度以及有关干扰信号所需的容差。干扰信号通常是移动手持终端或基站采用其它频率转发的，其功率比接收机需要接收的信号可能要高很多。在下变频器中，其所需信号将与 LO 信号混合，并生成有用的中频 (IF) 信号，这时，干扰信号也可能会与 LO 的相位噪声及寄生信号混合在一起，从而造成对信号的干扰，进而降低信噪比。通过查看标准的合成器实现方案，就可以了解上述失真的因果关系。

在如图 2 所示的整数 N 锁相环 (PLL) 合成器实现方案中，要比较低参考输入频率 fref 与高频 VCO 的输出频率 fVCO，可在相频检测器 (PFD) 中进行上述比较工作。有关频率可能相差 200Hz甚至更多，为匹配相关频率，可将输入频率及 VCO 频率分别除以R 和 N，这样就能在 PFD中获得比较频率 fPFD。PFD 将对输入频率除以 R 以及 VCO 频率除以 N 所得出的值进行比较，并生成控制信号，以增加或减少 VCO 频率，直至 PFD 电路的两个输入频率相等为止。这时，PLL就被锁定了。

图2 带整数NPLL及外部VCO的合成器

合成器相位噪声

在理想情况下，LO 合成器只生成一个离散频率，但实际情况并非如此，合成器输出频谱还会受到宽带噪声(即相位噪声)的影响。

对合成器输出频谱产生影响的噪声源有如下几种：VCO本身产生的相位噪声、PLL 分频器和环路滤波器组件产生的噪声等。由于 PLL 电路系统具有过滤特性，尤其是受滤波器环路中的(低通滤波器)环路滤波器的影响，带宽噪声将由 PLL 主导，环路带宽外则由 VCO 的相位噪声主导。

接收机下变频器处 LO 的相位噪声会使潜在的干扰信号与宽带相位噪声混合，从而在混频器输出端对信号频率产生干扰。由于干扰信号的功率可能远远高于有用信号功率，因此，IF下变频后可能会屏蔽有用信号。

合成器寄生信号

如果 PLL 锁定，那么理论上PFD 不会输出任何控制信号以改变 VCO 频率。但实际上，它会生成许多频率与 fPFD 相同且波长较短的 AC 脉冲信号，平均起来应该可使 VCO 保持恒定的输出频率。如果 AC 脉冲不是完全匹配的，则会在合成器输出端产生离散寄生信号，并与中心频率发生偏移，其偏移量是 fPFD 的数倍。带整数 N PLL 的 fPFD 通常需要对应于系统的通道频率间隔，如就 GSM而言为 200 kHz，这会使寄生信号与有用信号发生混频，同时，还有可能产生干扰信号。寄生信号与干扰信号在接收机中混合，这又会在 IF 下变频后对信号产生干扰。就发送器而言，所需信号与误差信号相混合，就会对其他频率产生干扰，也就不能满足输出频谱调制掩膜(modulation mask)的要求。

系统要求

如前所述，相位噪声及寄生信号与有用信号或干扰信号混频后，都会对信号通道造成干扰，从而显著降低信噪比，并最终影响到接收机的灵敏度。为了确保 GSM系统正确运行，必须满足 3GPP 标准制定的如下相关要求：
—接收机参考灵敏度
—阻塞特性
—干扰信号比(载波与干扰信号之比)与互调

基于上述标准要求，就能给接收合成器制定相关规范了。对相位噪声而言，假定所需信号为-101dBm，载波干扰信号比为 9dB，这就能满足表1的要求。

集成宽带噪声要求结合了 200kHz 通道频率间隔(通道带宽)情况下相位噪声与寄生信号的影响，因为二者对接收机灵敏度的影响很类似。而对发送器来说，情况则有所不同，要明确宽带噪声及调制掩膜造成的影响，以避免发送通道干扰其他基站相邻通道的工作。

传统实现方法与集成解决方案

满足 GSM 系统的相位噪声与寄生信号要求一直都是一个技术难题，必须认真优化构成合成器的 VCO、PLL 及环路滤波器。独立VCO 的实施方案通常经过激光微调来提高频率精确度，并配合高性能整数N PLL(如TRF3750)，这样就能设计出符合严格标准要求的合成器。

为了缩减板级空间，节约成本并降低设计复杂性，可采用集成 VCO/PLL合成器，目前，它已几乎成了手持终端实现方案的标准要求。不过，无线基础局端设备的要求非常严格，GSM 的技术标准要求更具挑战性，因此，长期以来还难以在基站中实现上述技术理念。最近，集成器件性能不断提高，这使得在基础局端应用中采用集成器件成为可能。TRF3761是新型集成VCO/PLL产品，这是一款带片上VCO的、全面集成的整数N PLL，如图3所示。此外，其内置的输出分频器还能在1/2及1/4 的VCO频率下工作，从而扩大了工作范围。

图3 集成VCO/PLL合成器的功能示意图

如前所述，相位噪声及寄生信号是关键的性能参数。为了检验器件性能，应认真分析相位噪声图(见图4和图5)，其中包括合成器的寄生信号图。当 fVCO 设为 1800MHz，环路滤波器的频率为 15kHz，器件参考输入频率为 10MHz 时，该器件的 PFD 工作频率将为200kHz。

图4 1800MHz时的TRF3761相位噪声

图5 900MHz时的TRF3761相位噪声

表1 GSM接收合成器的宽带噪声与相位噪声要求

根据表 1 给出的有关要求来比较各示意图，可以发现，GSM 接收合成器在900MHz 及1800 MHz /1900MHz频带中，可以满足相位噪声与集成宽带噪声(包括寄生信号)的要求。同时，同类器件也适合包括 WCDMA 与 CDMA2000 在内的 3G 无线系统，以及要求不太严格的无线宽带与802.16 等新兴应用。■